Go atomic

原子操作是指执行过程中不能被终端的操作,即针对某个值的原子操作过程中CPU绝对不会再去进行其它操作。为实现严谨,原子操作由一个独立的CPU指令代表和完成,并由操作系统提供调用,因此在并发环境下才能保证原子操作的绝对安全。

原子操作是能够保证执行期间是连续且不会被中断的,临界区只能保证访问共享数据是按顺序访问,但并不能保证访问期间不会被切换上下文。

Golang提供的原子操作都是非入侵式的,由标准库sync/atmoic包提供了原子操作的能力,直接由底层CPU硬件支持,因而比基于操作系统API的锁方式效率更高。

  • Golang中原子操作的数据类型包括int32int64uint32uint64uintptrunsafe.Pointer六种。
  • Golang的原子操作包括增减add、比较并交换cas、载入load、存储store、交换swap共计五种。
  • 原子操作函数第一个参数需要传入变量地址的,因为原子函数需要改变变量的值。
  • 原子操作函数可以给add传入负数来减法,因为计算机内部是补码加法,没有减法。
  • 比较并交换cas操作实际上是带条件的交换swap操作,只有符合条件才交换。

Golang在sync包中已经提供了锁,为什么还需要使用atomic原子操作呢?

  • 加锁的代价比较耗时,需要上下文切换。
  • 原子操作只针对基本数据类型,可以使用原子操作保证线程安全。
  • 原子操作在用户态可以完成,性能比互斥锁要高。
  • 针对特定需求原子操作步骤简单,无需加锁解锁步骤。

增减Add

  • 用于进行增加和减少的原子操作,函数名以Add为前缀,后跟针对特定类型的名称。
  • 原子增被操作的值类型只能是数值类型,即int32int64uint32uint64uintptr
  • 原子增减函数的第一个参数为原值,第二个是要增减多少。
func AddInt32(addr *int32, delta int32) (new int32)

例如:

var count int64
count = 100
atomic.AddInt64(&count, -10) //并发环境安全执行加法操作
value := atomic.LoadInt64(&count)
fmt.Printf("%T %v\n", count, value) //int64 90

例如:使用原子函数避免资源竞争

package test

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
    "sync/atomic"
    "testing"
)

var (
    wg    sync.WaitGroup
    count int64
)

func increase(n int64) {
    defer wg.Done()
    for i := 0; i < 3; i++ {
        atomic.AddInt64(&count, n)
        runtime.Gosched()
    }
}
func TestAtomic(t *testing.T) {
    wg.Add(2)

    fmt.Println("create goroutine")
    go increase(1)
    go increase(2)

    fmt.Println("waiting to finish")
    wg.Wait()

    fmt.Printf("final count is %v\n", count) //9
}

载入Load

原子性的读取操作接受一个对应类型的指针值,返回该指针指向的值。原子性读取意味着读取值的同时,当前计算机的任何CPU都不会进行针对值的读写操作。

func LoadInt32(addr *int32) (val int32)

例如:

在32位计算架构的计算机上写入一个64位的整数时,如果在这个写操作尚未完成的时候,有一个读操作被并发的执行了,那么这个读操作很有可能会读取到一个只有被修改了一半的数据。

for循环中,当使用v:=value为变量v赋值时,需要注意的是由于读取value的值的操作并不是并发安全的。因此在读取操作时其它对其的读写操作可能会同时发生。

存储Store

func StoreInt32(addr *int32, val int32)

原子性存储会将val值保存到*addr

与读操作对应的写入操作,sync/atomic提供了与原子值载入Load函数相对应的原子值存储Store函数,原子性存储函数均以Store为前缀。

交换Swap

func SwapInt32(addr *int32, new int32) (old int32)

原子性交换会将新值保存到*addr并返回旧值

比较并交换CAS

比较并交换(Compare And Swap,CAS)是sync锁操作的基础,sync.mutex是基于CAS方法来判断是否获取了锁。

func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool)

原子值atomic.Value

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